淺談橋梁工程中頂推法施工技術的探討
摘要：橋梁是線路的重要組成部分，每當運輸工具發(fā)生重大變化,便推動了橋梁工程技術的發(fā)展。19世紀20年代,隨著鐵路的出現(xiàn)，橋梁工程建設技術不斷翻新,從工程技術的角度來看，橋梁發(fā)展分為古代、近代和現(xiàn)代三個時期：古代橋梁一般為倒躺樹木自然形成；在近代橋梁施工中鋼材成為重要的造橋材料；20世紀30年代，預應力混凝土和高強度鋼材相繼出現(xiàn)，材料塑性理論和極限理論的研究，橋梁振動的研究和空氣動力學的研究以及土力學的研究等進展使近代橋梁施工技術應運而生。目前橋梁施工有懸臂澆注施工、頂推法施工等方法�，F(xiàn)在單對橋梁頂推施工方法進行了研究，本文闡述了其施工原理和施工工藝，指出其優(yōu)缺點和不足之處，為以后同類工程施工提供一定的借鑒�！�
關鍵詞：橋梁工程；頂推法；施工技術
一、引言
50多年前，頂推法施工技術就已經(jīng)在德國運用，中國運用這一技術大概也有三十多年了。頂推施工方法的雛形來自早期鋼橋的拖拉法、導梁拖拉法、縱向連接拖拉法等，它用千斤頂取代了傳統(tǒng)的卷揚機滑車組，用板式滑動裝置取代滾筒。這一取代使施工方法得到了發(fā)展和提高，從而降低了用滑車組卷揚機拖拉在啟動時造成的沖動，板式滑動裝置避免了滾筒支承線接觸作用引起的應力集中。
二、頂推法施工原理
頂推法是梁體在橋頭逐段澆筑或拼裝，用千斤頂縱向頂推，使梁體通過各墩頂?shù)呐R時滑動支座面就位的施工方法。施工原理是沿橋縱軸方向的臺后設置預制場，分階段預制梁體，縱向張拉預應力筋后，通過水平千斤頂施力，借助滑移裝置和頂推裝置，將梁逐段向前頂推，就位后落梁并更換正式支座。
單點頂推的動力學原理為，當集中的頂拉力滿足下式時，梁體才能向前移動：
H>ΣRi（fi±αi）
Ri—第i橋墩（或橋臺）滑道瞬時的垂直支反力；
fi—第i橋墩（或橋臺）支點相應的靜摩擦系數(shù)；
αi—橋梁縱坡坡率，正為上坡頂推，負為下坡頂推。
多點分散頂推施工的動力學原理為，當ΣFi滿足下式時，梁體才能向前移動：
ΣFi>Σ(fi±αi)Ni
Fi—第i橋墩（或橋臺）千斤頂所施的力；
Ni—第i橋墩（或橋臺）支點瞬時支反力；
fi—第i橋墩（或橋臺）支點相應摩擦系數(shù)；
αi—橋梁縱坡坡率，正為上坡頂推，負為下坡頂推。
橋梁頂推法施工示意圖
三、頂推法施工工藝
頂推方式是根據(jù)主梁長度、設計頂推跨度、橋墩能承受的水平推力、項推設備和滑動裝置等條件進行選擇的，例如單點頂推、多點頂推或雙向頂推等。主要流程如圖1所示�！�
圖1頂推法施工流程圖
3.1布置預置場
預置場地應設在橋臺后面的橋軸線的引道或引橋上。若為多點頂推時，可在橋兩端設場地，從兩端同時頂推。預置場地應考慮幾個長度，包括梁段底板與腹頂板預置長度、梁段懸出時反壓段的長度、機具設備材料進入預置作業(yè)線的長度和導梁拼接長度；預置場地的寬度應考慮梁兩端的施工作業(yè)的需要。為了便于混凝土的養(yǎng)護，預置場地上空宜搭設固定或活動的作業(yè)棚，。
3.2頂推裝置
頂推裝置由千斤頂、高壓油泵、拉桿(束)、頂推錨具(自動工具錨、拉錨器)組成，頂推動力一般使用水平千斤頂或自動連續(xù)千斤頂及其配套的普通高壓油泵或?qū)Ｓ玫囊簤赫咀鳛閯恿ρb置，拉桿體系最早使用精軋螺紋鋼，1988年以后逐漸采用高強鋼絲束、鋼絞線束群錨體系，拉錨器的施力位置由拉箱梁腹板兩側(cè)逐漸過渡到拉箱梁底板的方式，并由穿過箱梁頂、底板布設傳力型鋼演變?yōu)閮H在箱梁底板中心線預留孔插入牛腿式鋼塊拉錨器。拉錨器的間距應能保證墩上千斤頂有施力點和便于主墩上千斤頂統(tǒng)一更換拉索以提高頂推工作效率
3.3滑移和導向裝置
滑移裝置可分為：①普通的滑移裝置；②起循環(huán)作用的滑移裝置；③起連續(xù)作用的滑移裝置；④導向裝置及其他附屬裝置�；酪话悴捎脝位腊逍问�，滑道板為一塊整鋼板，置于滑道墊塊鋼架之上。該種形式的滑道能很好的承受各向作用力，而且標高容易控制，拆除也較方便。
為了控制梁體在頂推過程中的中線始終處于規(guī)范范圍內(nèi)，必須設置橫向?qū)蜓b置。尤其在圓曲線上頂推，橫向?qū)蜓b置顯得更加重要。糾偏器裝在預制臺座前臨時墩的兩旁，且固定一對，以控制每段梁尾端的橫向位置，保證梁尾與預制模板正位接頭。頂推時，作好橫向偏差觀測，主要觀測主梁和永久墩的彈性橫向位移。
3.4臨時墩和導梁
為了在頂推的過程中為了減少過大的懸臂彎矩，可設置臨時墩和導梁。
在連續(xù)梁的跨度大于頂推跨度時，宜設置中間臨時墩，在不設臨時墩時，為滿足安裝鋼導梁和連續(xù)梁前期頂推抗傾覆的要求，在制梁臺座前和連續(xù)梁第一跨內(nèi)設臨時墩，作為頂推施工的過渡段，保證梁體線形與已經(jīng)頂推出去的梁體完全一致，避免大梁從制梁臺座上頂推出去以后，與接灌的下一梁段出現(xiàn)大的轉(zhuǎn)角。臨時墩應能承受頂推時的最大豎向荷載和最大水平摩阻力引發(fā)的變形。在此原則前提下，盡可能降低造價，便于拆裝。為提高臨時墩的穩(wěn)定性，防止臨時墩在箱梁頂推過程中產(chǎn)生較大的水平位移，保證頂推安全，將臨時支墩與相鄰的主橋墩和制梁臺座進行撐拉連接，用水平或斜拉鋼絞線束臨時加固。
導梁設置在主梁前端，可為等截面或變截面鋼板梁，導梁結(jié)構必須通過設計計算，從受力狀態(tài)分析，導梁的控制內(nèi)力是導梁與箱梁連接的最大正、負彎矩和下翼緣的最大支點反力。國內(nèi)外的施工經(jīng)驗表明:導梁長度一般為頂推跨徑的0.6至0.7倍，較長的導梁可以減小主梁的負彎矩，但過長的導梁也會導致導梁與箱梁連接處負彎矩和支反力的相應增加，合理的導梁長度應是主梁最大懸臂負彎矩與使用狀態(tài)支點負彎矩基本接近。導梁的剛度對主梁內(nèi)力的影響遠較其長度對主梁內(nèi)力的影響為小。導梁的剛度在滿足穩(wěn)定和強度的條件下，選用較小的剛度及變剛度的導梁，將在頂推時減小最大懸臂狀態(tài)的負彎矩，使負彎矩的2個峰值比較接近。此外，在設計中要考慮動力系數(shù)，使結(jié)構有足夠的安全儲備。為減輕自重最好采用從根部至前端為變剛度的或分段變剛度的導梁
3.5落梁
落梁工作是全梁頂推到位后將梁安工在設計支座上的工作。施箱梁頂推到位以后,逐節(jié)拆除鋼導梁,解除縱向臨時預應力索,張拉后期縱向預應力索,并對管道壓漿,達到強度后進行落梁工作。落梁即將箱梁頂起來,拆除頂推用的滑道裝置,并將永久橡膠盆式支座就位安裝,將箱梁均勻平穩(wěn)地降落到永久支座上,再固定永久支座。
四、頂推施工方法的優(yōu)點及不足之處
隨著頂推能力的增加和頂推機具的發(fā)展，頂推施工方法在連續(xù)梁以外的橋型正在廣泛的應用，如拱橋和斜拉橋等的施工。斜拉橋一般是在場地、運輸條件受限的情況下才選取采取頂推施工法的，和懸臂拼裝施工相比，頂推方法施工大量的臨時墩和頂推點復雜的局部構造勢必造成經(jīng)濟上的浪費，但是頂推施工在一些方面上還是有優(yōu)勢的。運用頂推法施工橋梁與其他施工技術相比具有很多優(yōu)點，可以使橋梁上部結(jié)構的施工不影響橋位處現(xiàn)有的交通狀況，減少施工設備，縮短結(jié)構的施工工期，降低橋梁的施工成本，提高結(jié)構橫截面的使用效率，減少混凝土變化的影響。
頂推施工方法的優(yōu)點可概括為以下幾點：
1)頂推施工的橋梁一般單跨頂推力通常在50t到100t之間，遠比梁體自重小，所以頂推設備輕型簡便，不需大型吊運機具，保養(yǎng)與運輸方便，適合特殊場地使用。如水深較小浮吊不能進入的河流或者深谷等。
2)對橋下地基和凈空無要求，不影響通車或通航，由于預制場通常設在岸上，搭建拆除簡單，混凝土或者是鋼構件運輸方便。
3)對混凝土橋的頂推施工來說，澆筑混凝土僅需一套模板周轉(zhuǎn)，節(jié)省材料；施工工廠化，易于質(zhì)量管理。搭設平臺的材料大多為型鋼和鋼板，便于取材和重復利用。
4)場地固定集中，便于安全施工，受環(huán)境干擾小。
5)工作條件相對較好，所需勞動力比較少，勞動強度相對不高。
頂推施工方法尚存的不足之處：
1)由于頂推懸臂彎矩不能太大，且施工階段的內(nèi)力與運營階段的內(nèi)力也不能相差太大，所以頂推只適宜較多跨，跨數(shù)太少極不經(jīng)濟。
2)對于多孔長橋，因工作面所限，頂推過長，施工工期相對較長。
3)對于橋的形式有一定要求，彎橋只能是曲率恒定的橋梁，而且通常要求梁高不變，底面是直線。
五、施工案例設計
下面就根據(jù)以上關于橋梁頂推法施工技術的理論設計一個施工案例。
工程概述:某供水工程與河道交叉位置的管橋項目，在1#鎮(zhèn)墩、1#樁柱、2#樁柱、3#樁柱、4#樁柱、5#樁柱、6#樁柱、2#鎮(zhèn)墩上吊裝兩排并行的dn3100mm鋼管管道，單管總長約160多米,設計樁號k23+741.2至樁號k23+917.5。其中1#~2#、2#~3#、3#~4#、4#~5#樁樁的跨度均為30米，5#~6#樁的跨度為22米。長度30米管道單重為75噸，長度22米管道單重為55噸。地面至管道頂最高點為19.8米，施工地面是某河河道。
施工方案介紹:
5.1頂推準備
在1#樁以北與原地面相接處及2#樁南側(cè)4米范圍內(nèi)，沿管橋縱向設51米長的空中工作平臺及頂推作業(yè)面。2#樁南側(cè)4米處設置混凝土頂推后備；在1#、2#樁之間及2#樁附近用萬能桿件或門式支架搭設支墩、萬能墩，其地基應經(jīng)過處理，滿足承載力要求；在支墩上架設兩片貝雷梁，中心間距4.6米。橫向用槽鋼及相應連接件將兩片桁梁連在工字鋼上，縱向鋪設兩條輕型鋼軌滑道及木板作為工作平臺。在頂推過程中，為保證管道中線的準確，防止管道左右橫向偏移，擬在頂推平臺51米的范圍內(nèi)滑道上，設置管道臨時橫向固定裝置，使管道只能沿縱向移動。
5.2管橋頂推
管橋頂推施工前預先安裝各墩帽上的設計支撐環(huán)，并使頂推管橋底高于設計的支撐環(huán)底部約30cm。在搭設的平臺上，將3.6米鋼管對位焊接，然后進行鋼管頂推作業(yè)，使其向南側(cè)的3#樁推進。每推進3.6米長后，停止頂推作業(yè)，進行鋼管對位焊接，同時架設經(jīng)緯儀進行平面位置進行校正。如此交遞推進，頂推管橋通過3#樁、4#樁、5#樁最后到達終點6#樁位，頂進總長為161米。頂進過程可以采用卷揚機等牽引措施。
5.3管橋架設
管橋頂推到位后，在各個墩位上用千斤頂對管橋進行起頂，拆除所有的滑軌、支架和支墩，將管橋落管于支撐環(huán)上完成管橋的架設。在管底管橋起頂位置應用鋼板焊接板和環(huán)管下半部的支撐肋板，增加管橋起頂處受力面積以防止其局部變形。管橋在1#樁以北及5#樁以南部分在伸縮節(jié)安裝好后，用吊車起吊進行對位焊接，從而完成全段管橋的施工。
5.4設計驗算
1）、主要數(shù)據(jù)：單根鋼管c1=2.316t/m，方木g2=0.4t/m2，單排門形支架重g3=0.24t/排(含加固鋼管重)，操作人員及施工荷載g4=0.4t/m2
2）、最下排的支架計算：
p=2.316×0.9=0.4×1.82×0.9-0.24×1.82×0.9+0.4×1.80×0.9
=3.81（t）p/2=1.9（t），
k=[p]/（p/2）=4/1.9=2.1安全
地基承載力δ=3.8/(1.82×0.9)=0.0232mpa安全
5.5大型吊車抬吊法
對某河河岸場地進行平整，作為管橋的加工場地和吊裝作業(yè)場地。同時修筑一條通往河岸工作的臨時便道，作為材料進場和吊裝設備的進出通道。3#、4#樁跨越某河主河道，中間的臨時支墩基礎采用圍堰筑島，搭設與3#、4#樁圍堰筑島部分相連的棧橋，以便施工人員進出及作業(yè)，其施工作業(yè)應抓緊在枯水季度進行。
以50t吊車為例說明管橋吊裝施工（如有100t以上的吊車，可直接起吊30米整跨管段，施工更為簡單）。在1#~5#樁中每跨的跨中用萬能桿件或門支架搭設一個臨時支墩，使每個跨度由30米縮短為15米。將管道在地面按15米對位焊好后，用兩臺50t吊車將其分段吊裝至設計橋墩和臨時搭建的支墩上，進行對位焊接。每跨管橋?qū)ξ缓附油瓿珊�，拆除臨時支墩再移至下一跨。照此方法進行管橋施工，直至完成全段管橋的施工作業(yè)。所有施工作業(yè)完成后，應拆除圍堰筑島，使河道恢復暢通。
六、頂推法施工技術在我國的發(fā)展狀況
我國在70年代首次在西安至延安鐵路狄家河橋上采用頂推法施工，接著廣東萬江公路橋又順利頂推成功。經(jīng)過30多年的發(fā)展，頂推施工工藝不斷的完善，頂推方式也呈現(xiàn)多樣化。從用水平加豎向千斤頂直接頂推梁體到只用水平千斤頂并通過拉桿頂拉梁體；從單點集中頂推到多點分散頂推；從間歇頂推到連續(xù)頂推。我國橋梁頂推法施工技術不斷進步，使用范圍不斷擴大，在公路橋乃至鐵路橋中的應用日益增多。因此，頂推法是適合我國國情的一種較好的建橋方法，其應用發(fā)展前景十分廣闊。
七、結(jié)語
我國將要修建的各類橋梁中，中等跨度的多跨長箱梁橋占有相當?shù)谋壤�，而我國大型架梁吊裝設備嚴重不足，所以頂推法是適合我國國情的一種較好的建橋方法，其發(fā)展前景是廣闊的。隨著預應力材料強度和預應力工藝水平的不斷提高，設計計算理論和方法的不斷改進，以后頂推施工配套技術的將會日益完善。
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